Abwasserreinigungsanlagen als Regelbaustein in intelligenten Verteilnetzen mit erneuerbarer Energieerzeugung Prof. Dr.-Ing. Theo G.

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1 Abwasserreinigungsanlagen als Regelbaustein in intelligenten Verteilnetzen mit erneuerbarer Energieerzeugung Prof. Dr.-Ing. Theo G. Schmitt Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft Technische Universität Kaiserslautern unterstützt von Projektpartnern / -Mitarbeitern

2 Projektziele Entwicklung einer Systemlösung zur Integration von Kläranlagen mit anaerober Schlammstabilisierung in ein optimiertes Regelenergie- und Speicherkonzept Lösungsansätze zur Bereitstellung von System- und Netzdienstleistungen für Verteil- und Übertragungsnetze zum Ausgleich fluktuierender erneuerbarer Energie an der Schnittstelle Energie- und Wasserwirtschaft 2

3 angestrebte Projektergebnisse Managementstrategie mit Handlungsempfehlungen Quantifizierung Regelenergiepotential auf Kläranlagen Erarbeitung von Regelenergiekonzepten & Entwicklung von Anlagenkonzepten zur technischen Umsetzung Strategien für anpassungsfähige Flexibilitätskonzepte Weiterentwicklung, Test und Verifizierung vorhandener Software für die Netzkopplung am Beispiel einer real betriebenen Kläranlage Normatives Szenario Integration verfahrenstechnischer, energetischer und ökonomischer Ergebnisse und energierechtlicher Randbedingungen Verknüpfung Abwasserwirtschaft und Energieversorgung 3

4 Bearbeitungsstand Grundlagenermittlung & Potenzialanalyse Konzeption & Auslegung Zusammenspiel Netz und Kläranlage Verknüpfung politische & rechtliche Bedingungen 4

5 Bearbeitungsstand Grundlagenermittlung & Potenzialanalyse Konzeption & Auslegung Zusammenspiel Netz und Kläranlage Verknüpfung politische & rechtliche Bedingungen 5

6 Potenziale Trotz erfolgtem Ausbau weiterhin großes Potenzial vorhanden: Steigerung der Stromproduktion auf 2,11 TWh el bis 2,61 TWh el im optimierten Bestand möglich Dies entspricht einer theoretischen Leistung von MW el ca. 15% des aktuellen Marktvolumens an negativer Minutenreserve Abbildung: Potenzial der KWK-Anlagen auf KA mit anaerober Schlammstabilisierung 6

7 Bearbeitungsstand Grundlagenermittlung & Potenzialanalyse Konzeption & Auslegung Zusammenspiel Netz und Kläranlage Verknüpfung politische & rechtliche Bedingungen 7

8 Testläufe und Modellierung von Flexibilität Abschaltversuche und Simulation der Belüftungsaggregate sowie der Rücklaufschlammpumpen: zu unterschiedlichen Belastungszeitpunkten (6:00, 11:00, 14:00 Uhr) und Abschaltdauern (15, 30 und 60 min) Abbildung: Einfluss des Lastabwurfs auf die Reinigungsleistung der Anlage (Messung) keine signifikant negativen Auswirkungen auf die Ablaufkonzentration! Abbildung: Einfluss des Lastabwurfs auf die Reinigungsleistung der Anlage (Simulation) 8

9 Stufenkonzept Anlagenkonzepte Status Quo H 2 - Einspeisung O 2 - Beimischung H 2 -Nutzung Betrachtung von 6 unterschiedlichen Ansätzen / Betriebsweisen. je nach Anlagentyp/-größe und lokalen Randbedingungen. Biologische Methanisierung (in-situ) Biologische Methanisierung (externer Reaktor) Erhöhung der Flexibilität durch Elektrolyseur Implementierung von Power-to-Gasto-Power 9

10 Aggregatemanagement Bewertung und Klassifizierung - relevante Leistung - Einschätzung der Abschaltbarkeit (Betriebspersonal, Abschaltversuche, Simulation) - Gleichzeitigkeitsfaktor - Verfügbarkeit - Flexibilität Entwicklung individueller Regeln je Aggregatgruppe Mathematische Simulation und praktische Erprobung α A B C A Abbildung: Mögliches Vorgehen zur Ermittlung von Anlagenflexibilität B Lösungsansätze zur Bereitstellung und Nutzung von Flexibilität müssen erarbeitet werden 10

11 Bearbeitungsstand Grundlagenermittlung & Potenzialanalyse Konzeption & Auslegung Zusammenspiel Netz und Kläranlage Verknüpfung politische & rechtliche Bedingungen 11

12 Lokal-netzdienlicher Flexibilitätsbedarf Tagesbeispiel: Grenzwertverletzungen im vorgelagerten Netz (Spannung / thermische Belastung) Behebung durch Leistungsanpassung auf der Kläranlage netzdienlicher Flexibilitätsbedarf mittels Zeitreihenberechnung Orts- und Zeitabhängigkeit begrenzter Wirkungsbereich (lokal) Kläranlage HS/MS

13 Lokal-netzdienlicher Flexibilitätsbedarf E max Leistung [MW] Erkenntnisse aus Pilotstudie Radevormwald 2035 Energie [MWh] Kumulierte Abrufdauer: ~42h/Jahr Überwiegend kurze Einzelabrufe: min Max. Amplitude: 440kW Leistungsaufnahme Keine Leistungsabgabe erforderlich Speicherkapazität von kwh für den Großteil der Abrufe ausreichend max. Bedarfsraum P max Größenordnung Netzprobleme im Potentialbereich Kläranlage! Auch Teilbeiträge zur Problemlösung sinnvoll! 13

14 Bearbeitungsstand Grundlagenermittlung & Potenzialanalyse Konzeption & Auslegung Zusammenspiel Netz und Kläranlage Verknüpfung politische & rechtliche Bedingungen 14

15 Politisch-rechtliche Rahmenbedingungen Szenariofeld heute Policy-Szenario günstig Referenz-Szenario Im Windschatten der Energiewende Policy-Szenario ungünstig Szenario-Trichter Darstellung alternativer zukünftiger Situationen inkl. Entwicklungspfade = Raum möglicher Entwicklungen, nicht primär Prognose der Wahrscheinlichkeit Szenario-Ausprägungen gehemmt gefördert wirtschaftlich 15

16 Politisch-rechtliche Rahmenbedingungen Szenario-Technik Backcasting = Ermittlung optimaler politisch-rechtlicher Rahmenbedingungen für ein flächendeckendes Agieren von Kläranlagenbetreibern als Flexibilitätsdienstleister in zukünftigen Energiemärkten Schlüsselfaktor: Abwasserpolitik Schlüsselfaktor: Kommunalpolitik Normatives Szenario: Kläranlagen agieren flächendeckend als Flexibilitätsdienstleister in Energiemärkten Schlüsselfaktor: Energiepolitik 16

17 Ausblick Implementierung innovativer Anlagenkonzepte Power-to-Gas und Gasnetz-Einspeisemöglichkeiten Weiterentwicklung Simulationsmodell und Regelungskonzept für die Pilotanlage Einbindung in ein virtuelles Kraftwerk und Teilnahme am Regelenergiemarkt (Pilotanlage, Übertragbarkeit) Berechnung und statistische Auswertung weiterer Konstellationen für lokales Verteilnetz 17

18 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 12